基于不同覆土厚度的地铁车站无梁结构体系受力性能研究.pdf

10交通科技与管理智慧交通与应用技术0引言近年来，我国轨道交通的发展势头十分迅猛，对于地铁车站来说，采用无梁结构体系不仅能解决为满足净空要求带来的工程造价增加的问题，还能便于管线铺设，使管线的铺设更加灵活1。同时，无梁结构顶板的平整和整体性较好，顶板防水效果得到显著提升。因此，对于地铁车站无梁结构体系的受力性能研究具有十分重要的意义。该文以苏州某标准单柱双跨岛式车站为研究背景，运用 Midas Gen 软件对该车站在不同覆土厚度下顶板的受力性能展开对比分析，提出了无梁结构体系的相关设计要点。1工程概况及模型方案1.1工程概况收稿日期：2023-09-07作者简介：李玉洁（1991）,男,硕士研究生,工程师,从事地下工程设计与研究工作。基于不同覆土厚度的地铁车站无梁结构体系受力性能研究李玉洁（中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070）摘要无梁结构体系在地铁中的应用不仅能带来更大的净空，管线的敷设更加灵活，同时，无梁结构顶板的防水效果好，在地铁车站结构设计中具有广阔的应用前景。文章运用 Midas Gen 有限元分析软件，比较了某地铁车站在不同覆土厚度下顶板各板带的弯矩、剪力等主要内力值，得出在不同覆土厚度下顶板各板带的受力分布规律，提出框柱支座影响半径概念和柱帽设置方法，为地铁车站无梁结构体系的应用和推广提供理论依据，以供地下结构工程设计人员参考。关键词地铁车站；有限元分析；无梁结构体系；不同覆土厚度中图分类号TU93文献标识码A文章编号2096-8949（2023）19-0010-04图 1车站标准段断面图苏州轨道交通 3 号线某车站为地下两层单柱双跨岛式车站，车站主体结构外包总长 198.2 m，标准段宽 19.7 m。车站中柱尺寸 0.8 m1.1 m，柱距 9 m，围护结构采用800 mm 厚地下连续墙，车站标准段断面图如图 1 所示。1.2模型方案（1）模型对比方案。运用 Midas Gen 软件建立地铁车站基本三维模型，为节省软件运算时间，对车站主体结构取半建立基本三维模型，如图 2 所示。在基本三维模型基础上建立 6 组对比分析模型，分析模型如表 1 所示。（2）单元选取。模型中顶、中、底板及侧墙均采用板单元进行模拟，混凝土强度等级为 C35；梁、柱采用梁单元模拟，混凝土强度等级为 C35、C45。梁、板单元网格划分长度为 0.5 m（研究区域细化后为 0.2 m），满图 2车站基本三维模型图表 1分析模型模型编号ABCDEF覆土厚度/m1.522.533.54足数值模拟精度和工程需求。（3）边界条件及荷载施加2-3。对于结构底板，用弹2023 年第 4 卷第 19 期11交通科技与管理智慧交通与应用技术性支撑来模拟土体作用，选择面弹性支撑转换为弹性连接，输入底板所在土层的基床系数，弹性连接长度为 1 m。该车站围护结构采用地连墙，与内部结构侧墙组成复合墙结构形式，在永久使用阶段围护结构承受外侧土压力作用，内部结构侧墙仅承受水压力。顶板恒载按 h计算（为覆土容重，一般取 18.5 kN/m3，h 为覆土厚度），地面超载取 20 kPa；中板恒载取 5 kPa，活载取 8 kPa，底板水浮力作用及侧墙水土压力作用均根据相应覆土厚度确定。2主要计算结果分析选取顶板一边格板（如图 3 矩形框所示），沿 x 轴和 y 轴按 1 m 划分为 9 个板格条带，以所选板格左上角角点为坐标原点（0,0）建立坐标系(上边缘为墙边，下边缘为柱边)，得到 x 轴与 y 轴方向的内力分布。图 3板带选取示意图分析模型 A 所选的板格主受力方向 Myy云图如图 4所示。图 4模型 A 弯矩包络图（主受力方向 Myy）现对模型 A 及其余各模型计算结果中取 x=1、x=5、x=8 的同区域板带，提取相应计算分析数值后，分别绘制Myy内力（主受力方向）对比曲线，如图 5 所示。不同覆土厚度下各模型的双向弯矩、剪力最值如表2 所示，正负弯矩板带宽度如表 3 所示。根据各模型弯矩云图、变化曲线以及表23分析可知：（1）随着覆土的增加，各模型板带 Myy内力变化规律一致，基本呈线性增长趋势，且最大正负弯矩位置与常规地铁车站梁柱结构体系一致，同时得出以下规律：y=16 时，Myy变化规律一致，Myy内力与梁柱体系下内力基本一致，由于内力重分配的作用，局部内力会小于梁柱体系下内力，此范围内配筋按照梁柱体系下最大正负弯矩指导 Myy配筋；y=79 时，即柱支座影响范围内，Myy均大于梁柱体系下弯矩值，该范围需根据实际弯矩值进行针对性设计。（2）由表 2 可知，随着覆土的变化，最大剪力值为呈线性增加的趋势，线性关系近似为 Vmax=600H+2100（H为覆土厚度/m）。经验算，当覆土厚度为大于 1.5 m 时，剪力值大于 3 090 kN，不满足顶板厚 800 mm 的抗剪承载力要求，因此，应考虑增加板厚、增设柱帽等方式。（3）由表 3 可知，随着覆土的增大，受拉板带宽度不发生变化，表明覆土厚度变化对 Myy的各支座范围内板带宽度的影响不大。在覆土厚为 1.54 m 时，墙边上侧受拉板带宽度可取1.4 m，跨中下侧受拉板带宽度可取5.5 m，12交通科技与管理智慧交通与应用技术 (a)x=1(b)x=5(c)x=8图 5相同板带区域 Myy变化曲线表 2不同覆土厚度下内力最值模型编号 Mxx最大正弯矩值/(kNm)Mxx最小负弯矩值/(kNm)Myy最大正弯矩值/(kNm)Myy最小负弯矩值/(kNm)最大剪力值/kNA1 346.6291.11 208290.83 005B1 469.6329.21 265345.73 300.8C1 592.5367.31 321402.93 596.5D1 715.5405.41 378461.23 892.1E1 838.4443.31 434521.64 187.8F1 961.4481.51 490581.94 483.5表 3不同覆土厚度下正负弯矩板带宽度板带 模型编号ABCDEF墙边上部受拉板带宽/m1.41.41.41.41.41.4跨中下部受拉板带宽/m5.55.55.55.55.55.5柱上上部受拉板带宽/m2.12.12.12.12.12.1柱范围内上侧受拉板带宽度可取 2.1 m。3框柱影响半径及柱帽范围3.1框柱影响半径由于覆土厚度的增加对弯矩值和剪力值的变化基本呈线性增加，因此，当顶板在柱附近处的弯矩等于墙边支座弯矩时定义柱在 x 轴方向的影响半径 Rx。根据地铁设计规范4规定车站结构构件裂缝限值为 0.3 mm，分布钢筋的配筋率不宜低于 0.2%。通过计算，根据 Mxx方向的弯矩，可定义当柱范围顶板（板厚800 mm 情况下）的弯矩为 300 kNm 为柱在 y 轴方向的影响半径 Ry。不同覆土厚度下 Rx、Ry值见表 4 所示。由表 2、表 4 可得以下规律：（1）覆土厚度增加时，作用在顶板上的荷载增加，柱范围内与墙边支座作用一致的位置变形增加，支座作用得到削弱，使得与墙边支座作用相同的位置继续往柱边靠近，Rx从 3.6 m 线性减小至 1.4 m，影响半径呈减小趋势。（2）覆土厚度的增加会使得墙、柱支座作用相对削弱，从而降低原位置处支座负弯矩，框柱一定范围内 Mxx增加幅度明显大于 Myy，综合支座效应和弯矩增加幅度，导致 Ry数值基本无变化，均为 2.6 m。根据以上数据及分析可以得出，随着覆土的变化，框柱横向的影响无变化，框柱纵向的影响范围拟合公式近似为 Rx=3.40.5H（H 为覆土厚，2.0 m H 4.0 m）。3.2柱帽设置在顶板厚度受弯和抗剪计算不满足要求时，顶板需要加厚，加厚区域即为柱帽设置区域。分别定义柱帽横向长度为 Dx（柱帽宽度的一半）与纵向长度 Dy（柱帽长度的一半）。通过对计算结果的提取，得出不同覆土厚度下的Dx和Dy的最大包络值，并绘制Dx和Dy变化曲线，如表 5 和图 6 所示。表 4不同覆土厚度下 Rx、Ry值影响半径模型编号ABCDEFRx/m3.62.52.21.81.61.4Ry/m2.62.62.62.62.62.6表 5不同覆土厚度下 Dx、Dy值柱帽长度模型编号ABCDEFDx/m0.40.40.40.50.50.6Dy/m0.30.40.40.50.60.6图 6Dx和 Dy变化关系曲线（下转第 9 页）9交通科技与管理智慧交通与应用技术慧交通落地进程，为提升道路交通服务水平，提高城市居民出行体验，作出应有的贡献。该文所述实战案例，是智慧交通建设中基层应用的有益实践和逐步渐进的实现方法步骤，可以为类似的交通信号灯感应控制提供实战经验。参考文献1 道路交通信号控制方式 第 1 部分：通用技术条件:GA/T 527.12015S.北京：中国标准出版社,2015.2 公安交通集成指挥平台通信协议 第 2 部分：交通信号控制系统:GA/T 1049.22013S.北京：中国标准出版社,2013.（上接第 12 页）通过表 5 和图 6 可知，Dx与 Dy基本呈线性增加，表明覆土的变化对柱边板带弯矩有一定的影响，在覆土为1.54.0 m 时，对 Dx与 Dy可用线性公式进行拟合，可得出 Dx=0.2+0.1H，Dy=0.2+0.1H（其中 H 为覆土厚，单位均为 m）。4结论该文通过对某地铁车站在不同覆土厚度情况下运用Midas Gen 进行有限元分析，得出以下几个主要结论：（1）在不同覆土条件下，各分析模型内力变化规律相同，无明显突变点，最大正负弯矩、最大剪力均呈线性变化5。（2）通过对各模型的内力分析，得到各模型正负弯矩板带宽度，实际工程中可以此来对该区域进行合理加强配筋。（3）对于一般地铁车站覆土大于 1.5 m，板厚为800 mm的情况下，均需设置柱帽来满足顶板抗冲切要求。（4）通过对柱帽尺寸的包络设计，得出柱帽范围的一般性规律，类似工程中可以参考以确定增设柱帽的范围，并对柱帽合理设计，来满足顶板抗冲切要求。（5）该文对常规地铁车站顶板板厚为 800 mm 情况下，进行不同覆土情况下的受力分析，得出了一般性结论，后续研究和工程应用中应考虑对柱跨、板厚等情况进行进一步分析，以确定更为合理的地铁车站无梁结构设计方案。参考文献1 洪健.地下室顶板采用无梁楼盖与大板加腋选型对比J.福建建材,2016(8):54-55.2 北京迈达斯技术有限公司.MidasGEN 工程应用指南M.北京：中国建筑工业出版社,2012.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB500092012S.北京：中国建筑工业出版社,2012.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范:GB50517S.北京：中国建筑工业出版社,2013.5 韩小雷,周玉.受竖向荷载作用的无梁楼板内力有限元分析 J.建筑结构，2003(2):26-28.表 5成效麓山大道各交叉路口运行评价指标成效麓山大道各交叉路口运行评价指标路口名称延误时间/s饱和度/%高峰停车次数/停车率高峰排队长度/辆 高峰通行能力/(辆/h)优化前优化后优化前/%优化后/%优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后麓山大道一段蓝山美树路口16.288 074.664 091 888.4488.54321355 4614 726麓山大道一段半山艾马仕路口15.999 551.101 249 288.58 90.04 211435 5484 683麓山大道二段麓山国际 1 号门路口21.341 013 7.343 348 691.46 88.20 302154 5283 505麓山大道二段麓山国际 2 号门路口19.181 877 5.223 223 689.89 88.97 21825 2894 120麓山大道二段与万安路交叉口22.762 803 7.614 657 490.04 88.2821823 6813 006麓山大道二段与遂州路交叉口17.296 139 7.304 112 189.59 87.65 411035 1223 876麓山大道二段中石油加油站14.541 066 7.590 293 583.04 87.09 211443 8923 203麓山大道二段航管路中心路口15.800 753.357 123 778.73 85.23 10701 3292 152麓山大道二段雅居乐路口19.051 85.963 650 287.80 89.46 21822 7862 308麓山大道二段与白沙街交叉口20.259 822 8.351 679 191.15 90.29 21202 3692 370麓山大道二段与彩虹街交叉口17.525 299 4.062 483 381.14 89.76 10801 6871 411麓山大道三段与双简路交叉口36.592 531 8.533 621 791.02 93.18 21233 9323 551麓山大道三段白沙村路口10.027 702 5.007 750 688.99 88.51 10802 5231 872